汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障分析與診斷

張國強(qiáng)，楊 溢

(1.北方工程設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050011；2.河北鋼鐵集團(tuán)唐山煉鐵廠，唐山 063000)

1 引言

汽輪發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其安全可靠運(yùn)行對整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的意義。發(fā)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)是評價(jià)機(jī)組能否持續(xù)可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)[1,2]。發(fā)電機(jī)振動(dòng)超過允許值會(huì)引起動(dòng)、靜部分摩擦，加速部件的磨損、產(chǎn)生偏磨、電刷冒火；使機(jī)組軸系不能正常工作；嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組密封系統(tǒng)遭到破壞；定子鐵心松弛片間絕緣損壞，導(dǎo)致短路故障等[3]。隨著機(jī)組容量的增加，機(jī)組的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，部件之間的聯(lián)系也越來越緊密，機(jī)組故障原因的多樣性和耦合性增加，傳統(tǒng)的、單一參數(shù)故障診斷方法已不能對發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障原因做出準(zhǔn)確診斷。針對這一問題，本文采用層次分析方法對汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行了故障模式及影響分析，并提出了基于多特征屬性距離的故障診斷方法，并給出了多特征屬性距離診斷方法在汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷中的工程應(yīng)用實(shí)例。

2 層次分析方法

層次分析方法（Analytical Hierarchy Process, AHP）是一種定性的多準(zhǔn)則決策方法[4]，把系統(tǒng)復(fù)雜問題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入分析后，構(gòu)建一個(gè)有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)模型，使專家經(jīng)驗(yàn)知識層次化，為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷問題提供一種簡便的分析診斷方法。

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析

汽輪發(fā)電機(jī)是機(jī)電的耦合系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)劃分可以把汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分為定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)層下又可以劃分為部件層。汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次分析可以用圖1表示。

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障層次分析

采用故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA）方法對汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行層次分析，F(xiàn)MEA是用于確定、識別和消除系統(tǒng)已知和潛在的故障的工程技術(shù)[5,6]，是一種定性的故障分析方法。通過嚴(yán)密分析，得到系統(tǒng)潛在的失效模式和可能造成的后果，通過對系統(tǒng)各組成部件的分析和改進(jìn)，使系統(tǒng)的狀態(tài)趨于最佳狀態(tài)。

層次 FMEA分析可以分為系統(tǒng) FMEA、子系統(tǒng)FMEA和部件FMEA三部分。系統(tǒng)FMEA的故障模式為子系統(tǒng)FMEA和部件FMEA提高了基本信息，系統(tǒng)FMEA中的故障原因會(huì)轉(zhuǎn)化為子系統(tǒng)FMEA的故障模式，子系統(tǒng)FMEA中的故障模式相應(yīng)的有各自的故障原因，轉(zhuǎn)化為部件FMEA中的故障模式，部件FMEA中故障模式的故障原因，即零件的故障模式為系統(tǒng)故障的根本原因。

汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障FMEA層次分析結(jié)果，見表1、表2、表3所示。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析

表1 系統(tǒng)FMEA

表2 子系統(tǒng)FMEA

表3 部件FMEA

根據(jù)表1～3汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障層次分析，得到汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障因果關(guān)系結(jié)構(gòu)圖，用故障樹分析方法（Fault Tree Analysis, FTA）表示，如圖2所示。圖中符號及其所表示的含義如表4所示。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障FTA

由圖2可得，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障的底事件有11個(gè)，分別是：定子鐵心松動(dòng)共振故障、定子端部繞組共振故障、轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡故障、轉(zhuǎn)軸徑向剛度不均勻故障、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道堵塞故障、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障、轉(zhuǎn)子繞組變形故障、聯(lián)軸器不對中故障、油膜渦動(dòng)故障、油膜振蕩故障和軸承不對中故障。其中，定子鐵心松動(dòng)共振故障、定子端部繞組共振故障屬于定子振動(dòng)故障，通過在定子鐵心和定子繞組端部加裝監(jiān)測裝置可以準(zhǔn)確識別此類故障；后9類振動(dòng)故障模式的診斷識別是本文診斷工作的重點(diǎn)。

表4 圖2符號及其含義對應(yīng)表

2.3 汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障特征分析

根據(jù)發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障層次FMEA和FTA的分析結(jié)果，對9類振動(dòng)故障特征進(jìn)行分析。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)頻率特征表基礎(chǔ)上，從頻率特征屬性、時(shí)變特征屬性和工況特征屬性三個(gè)方面來對發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行特征分析，分析結(jié)果見表5所示。

表5 振動(dòng)故障特征分析

3 多特征屬性距離診斷法

多特征屬性距離診斷方法是一種針對復(fù)雜設(shè)備的故障診斷方法，通過對專家經(jīng)驗(yàn)知識的故障特征屬性量化，建立起故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性，通過求解被檢故障特征屬性與標(biāo)準(zhǔn)屬性之間的距離，得到故障診斷結(jié)果。避免了采用單一屬性進(jìn)行故障診斷造成的診斷片面性和不準(zhǔn)確性。

假設(shè)反應(yīng)設(shè)備故障狀態(tài)的特征參數(shù)有n個(gè)，則故障模式Mi可以用特征屬性的集合來表示，Mi={Xi1,Xi2,Xi3, ...,Xin}，其中Xij為標(biāo)準(zhǔn)的故障特征屬性值。設(shè)備有m個(gè)故障模式集合，則故障模式集合R可以表示為R={M1,M2,M3, ...,Mm}，其中Mi(i=1, 2, 3, ...,m)為故障特征屬性標(biāo)準(zhǔn)集。建立的故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣如下：

上式表示的故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣包含了m個(gè)故障模式，每一個(gè)故障模式包含了n個(gè)特殊屬性。

設(shè)被檢故障特征屬性集合為M′={x1,x2,x3, ...,xn}，通過求解M′與Mi的特征屬性距離，來判斷M′與Mi的相似程度，得出診斷結(jié)果。多特征屬性距離求解公式如下：

當(dāng)iD值最小時(shí)，表示M′與iM的特征屬性距離最小，即M′與iM的相似程度最高，即可做出M′屬于故障模式iM的診斷。

4 汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷

應(yīng)用多特征屬性距離診斷方法對汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行診斷，關(guān)鍵在于振動(dòng)特征屬性進(jìn)行正確的賦值。

根據(jù)發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障層次分析的結(jié)論，得到振動(dòng)故障特征屬性集M，包括頻率特征屬性、時(shí)變特征屬性和工況特征屬性。其中，頻率特性包括6個(gè)頻率段的頻域特征量，分別是(0-0.39)f，(0.4-0.49)f，(0.50-0.99)f，1f，2f，＞2f（其中f為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）。時(shí)變特性表示振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化的特征。工況特性包括轉(zhuǎn)速工況、負(fù)荷工況、勵(lì)磁電流工況、冷卻介質(zhì)工況和潤滑油溫工況等。使得發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障特征屬性一共有12個(gè)，分別對應(yīng)故障特征屬性集M={x1,x2,x3, ...,x12}中的12個(gè)元素。

4.1 振動(dòng)故障特征屬性賦值規(guī)則

對振動(dòng)頻率特性中各特征屬性值進(jìn)行歸一化處理，規(guī)定振動(dòng)通頻振動(dòng)幅值為1，振動(dòng)頻率分量特殊屬性值為其振幅與振動(dòng)通頻振動(dòng)幅值的比值。將時(shí)變特性分為穩(wěn)定、慢變、漸變、快變和突變5個(gè)類型，穩(wěn)定代表在一定工況下振動(dòng)幅值趨于穩(wěn)定；慢變代表在一定工況下振動(dòng)幅值緩慢變化；漸變指在一定工況下振動(dòng)幅值成逐漸變化；快變指在一定工況下振動(dòng)幅值趨于快速變化；突變指在一定工況下振幅發(fā)生突變。時(shí)變特性特征屬性標(biāo)準(zhǔn)值為｛0，0.25，0.5，0.75，1｝，分別對應(yīng)上述5種時(shí)變特性類型。在進(jìn)行故障診斷時(shí)，被檢驗(yàn)樣本的時(shí)變特征屬性值由領(lǐng)域?qū)＜医o出，當(dāng)無法準(zhǔn)確界定時(shí)，可以選擇折衷取值，例如某一振動(dòng)故障的時(shí)變特性介于慢變和漸變之間，可以折衷取值為0.35或0.4。對于工況特性中的特征屬性取值，規(guī)定振動(dòng)幅值隨工況變化明顯取值為1，否則為0。振動(dòng)部位屬性規(guī)定轉(zhuǎn)子振動(dòng)取值為0，定子振動(dòng)取值為1。

4.2 特征屬性矩陣的建立與求解

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障層次分析的結(jié)論，故障模式集合R包含9個(gè)故障模式子集，R={M1,M2,M3, ...,M9}，Mi(i=1, 2, 3, ..., 9)分別對應(yīng)表4中振動(dòng)故障模式的X3, X4, X5, ..., X11。

根據(jù)發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障特征屬性賦值規(guī)則，得到標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣如下：

按照式2分別求解被檢測故障特征屬性M′={x1,x2,x3, ...,x13}與發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣（式3）中的iM(i=1, 2, 3, ..., 11)的特征屬性距離，來判斷M′與iM的相似程度，得出診斷結(jié)果。

5 工程實(shí)例應(yīng)用

某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間均為剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，共有8個(gè)支承軸承，如圖3所示。

圖3 機(jī)組軸系布置

5.1 振動(dòng)故障描述

機(jī)組經(jīng)過大修后啟動(dòng)三次沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速（3000r/min），發(fā)電機(jī)前軸承#7軸振動(dòng)幅值較大，振動(dòng)數(shù)據(jù)見表6所示。

表6 額定轉(zhuǎn)速時(shí)的軸振數(shù)據(jù)（μm）

依據(jù)振動(dòng)測量和試驗(yàn)，初步診斷發(fā)電機(jī)振動(dòng)有如下特點(diǎn)：

（1）振動(dòng)幅值與有功負(fù)荷關(guān)系不大。

（2）每次啟動(dòng)3000r/min機(jī)組振動(dòng)幅值不同。

（3）#7軸承振動(dòng)頻譜以工頻為主，但是存在一定的2X、3X、4X成分。

（4）振動(dòng)幅值隨運(yùn)行時(shí)間成逐漸變化趨勢。

（5）提高發(fā)電機(jī)氫溫從38℃升至42℃，#7軸振動(dòng)下降 20～30μm。

（6）振動(dòng)幅值隨勵(lì)磁電流變化而變化明顯。

5.2 多特征屬性距離故障診斷方法應(yīng)用

應(yīng)用多特征屬性距離法對汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行診斷的第一步是特征屬性的標(biāo)準(zhǔn)化。

首先，對#7軸振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，并求得頻率段(0-0.39)f，(0.4-0.49)f，(0.50-0.99)f，1f，2f，＞2f各頻率分量的振動(dòng)幅值所占通頻振動(dòng)幅值的比值，分別對應(yīng)M′={x1,x2,x3, ...,x13}中的元素x1,x2,x3, ...,x6表示。然后根據(jù)故障特征描述對時(shí)變特性、工況特性和振動(dòng)部位屬性中的特征元素進(jìn)行賦值，得出三次啟動(dòng)振動(dòng)過大的特征屬性向量。

第一次啟動(dòng)振動(dòng)過大特征屬性向量：

第二次啟動(dòng)振動(dòng)過大特征屬性向量：

第三次啟動(dòng)振動(dòng)過大特征屬性向量：

根據(jù)式（2）分別故障特征屬性向量1M′、2M′、3M′與發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣式（3）中的的特征屬性距離，所得結(jié)果見表7所示。

表7 多特征屬性距離計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5中的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，故障特殊屬性向量與標(biāo)準(zhǔn)故障模式集中的M3的故障特征屬性距離最小。所以可以判定引起機(jī)組#7軸振動(dòng)過大的故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)子通風(fēng)道故障。

5.3 故障處理

停機(jī)后，抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)有異物存在，有的孔內(nèi)還有溶狀物、通風(fēng)道表面有高溫氣流沖刷的痕跡。對通風(fēng)道異物進(jìn)行相應(yīng)處理后，機(jī)組重新啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，各軸承軸振振幅正常，振動(dòng)數(shù)據(jù)見表8所示。

表8 處理后各軸承軸振振動(dòng)數(shù)據(jù)（μm）

6 結(jié)論

本文應(yīng)用層次分析方法對汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行了分析，得到了汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障的特征屬性。建立了基于多特征屬性距離的汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷方法，與傳統(tǒng)的單一特征屬性診斷方法相比具有診斷準(zhǔn)確性較高，并可以診斷出引發(fā)振動(dòng)故障的具體原因等優(yōu)點(diǎn)。最后通過工程實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性與可行性。

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